海洋酸化下造礁珊瑚的骨骼形成响应机制：四种关键珊瑚物种的适应性策略与保护启示

本研究针对全球海洋酸化加剧导致珊瑚礁退化的问题，通过模拟pH 7.6-7.8的酸化环境，结合微计算机断层扫描（micro-CT）、扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）和转录组测序（RNA-seq）技术，揭示了四种造礁珊瑚（Acropora muricata、Pocillopora damicornis等）的差异化生存策略。研究发现A. muricata通过“腔隙式”骨骼内腐蚀保护珊瑚虫-管道系统，而其他物种则呈现“骨质疏松样”结构紊乱。该成果为珊瑚礁保护提供了关键理论依据，发表于《Research》。

　　

珊瑚礁被誉为海洋中的“热带雨林”，但其生存正面临前所未有的挑战。自工业革命以来，人类活动导致大气CO₂
浓度急剧上升，海水pH平均下降0.1单位，预计到2100年将降至7.8-7.9。这种酸化环境严重威胁依赖碳酸钙骨骼的造礁珊瑚，但不同物种的响应机制尚不明确。尤其令人担忧的是，珊瑚礁生态系统的崩溃将导致生物多样性锐减和海岸带防护功能丧失。在此背景下，理解珊瑚的酸化适应策略成为当务之急。

来自中国的研究团队在《Research》发表了一项突破性研究。他们选取四种广泛分布的造礁珊瑚——枝状珊瑚Acropora muricata、片状珊瑚Montipora capricornis和Montipora foliosa、以及块状珊瑚Pocillopora damicornis，通过构建昼夜波动（pH 7.6-7.8）的酸化模拟系统，结合多尺度分析技术，首次揭示了珊瑚骨骼形成的物种特异性策略。研究发现，A. muricata通过独特的“腔隙式”内部溶解保护其珊瑚虫-管道系统，而其他三种珊瑚则表现出类似骨质疏松的结构紊乱。这一发现为预测珊瑚礁生态系统演变提供了新视角。

研究采用三大关键技术：首先，通过微计算机断层扫描（micro-CT）三维重建珊瑚虫-管道系统，定量分析骨骼-空隙比；其次，利用扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）测定骨骼中钙（Ca）、氧（O）、碳（C）等元素的原子比变化；最后，基于Illumina和PacBio双平台转录组测序（RNA-seq）解析生物矿化相关基因表达谱。所有珊瑚样本均采集自中国西沙群岛5-10米深的礁区，并在模拟系统中培养30天。

研究结果

骨骼系统的腐蚀过程
三维重建显示，A. muricata的酸性损伤始于骨骼内部近管道系统处（第3天），随后形成融合性腔隙（第30天），而其他三种珊瑚的腐蚀始于表面。值得注意的是，靠近珊瑚虫的骨骼区域受损较轻，表明酸化主要影响既有骨骼而非新钙化。例如，P. damicornis的隔片间空间壁在第3天即出现腐蚀，最终导致骨骼结构紊乱（图1D）。

骨骼与钙流失
量化分析显示，A. muricata骨骼体积减少17.0%（从60.6%降至50.3%），而M. capricornis通过快速新骨骼形成使损失率从23.1%（第9天）降至15.7%（第30天）。SEM-EDS证实所有物种均存在钙流失，其中P. damicornis的Ca原子比下降最显著（5.94%），而M. capricornis仅降低1.01%（图3E）。

骨骼组基因表达变化
转录组分析揭示关键调控差异：A. muricata的钙转运蛋白（PMC ATPase）和酸性富集蛋白（ARPs）表达下调，但黏附蛋白（α-C6和galaxin）显著上调；P. damicornis则保持半数骨骼形成基因（如SOMP-1/2/4）的稳定表达。特别值得注意的是，M. capricornis在后期（第9天）出现碳酐酶（CA）和有机基质蛋白（SOMPs）的补偿性高表达（图4B）。

讨论与意义
该研究首次系统阐释了造礁珊瑚应对酸化的四种生存策略：A. muricata的“牺牲密度保管道”策略、M. capricornis的“高速重塑”策略、M. foliosa的“局部修复”策略，以及P. damicornis的“分子耐受-结构代价”策略。这些发现挑战了传统认为酸化仅抑制钙化的观点，揭示出珊瑚通过调控生物矿化（biomineralization）和骨骼微结构来维持功能完整性。

研究还提出关键机制解释：珊瑚虫-管道系统的保护优先级高于整体骨骼密度，这解释了为何近珊瑚虫区域损伤较轻。此外，物种间钙转运蛋白（如PMC ATPase）和黏附蛋白（如galaxin）的表达差异，为人工辅助进化提供了分子靶点。该成果不仅为珊瑚礁保护规划提供科学依据，其揭示的“生物材料适应性重塑”机制对仿生材料开发也具有启示意义。

未来研究可结合X射线衍射分析晶体结构变化，并延长观测周期以评估跨代适应。尽管如此，这项多学科交叉工作已为理解海洋酸化下的生态系统响应树立了新标杆。